空间太阳能电站无线能量传输技术

李维（北京空间机电研究所）

空间太阳能电站无线能量传输技术

李维（北京空间机电研究所）

21世纪人类面临着非常严峻的能源形势。太阳能是持久稳定的清洁能源，大规模开发利用太阳能将有希望彻底解决人类的能源危机。空间太阳能电站是高效利用太阳能的有效途径，受到了国际的广泛关注。空间无线能量传输是实现空间太阳能电站的核心关键技术，国内外已对基于微波与激光的无线能量传输技术开展研究。

微波无线能量传输技术可以追溯到1899年，长时间的发展使该技术成熟度高，特别是微波发射及接收器件的更新换代，也让微波无线能量传输技术成为最早纳入空间太阳能电站设想的核心技术。激光无线能量传输技术兴起于2000年左右，随着大功率激光技术，特别是太阳能直接泵浦激光技术的发展，使得此项技术有望解决微波传输技术的某些瓶颈问题。随着空间太阳能电站方案论证的不断深入，世界各国研究人员相继进行技术的遴选和攻关，这势必会使空间太阳能电站的发展进入一个崭新的时代。

格雷泽博士提出的空间太阳能电站设想

1　引言

空间太阳能电站是人类开发利用空间资源的宏伟空间工程，是航天领域与能源领域完美的结合点，它将可能成为人类在21世纪解决能源问题的重要途经之一。空间太阳能电站不仅是一项重大的科技工程，还具有重要的政治、军事意义，是国家政治、经济、科技和军事实力的很好体现。

1968年，美国的彼得·格雷泽（Peter Glaser）博士首次提出建立空间太阳能电站的构想。之后空间太阳能电站概念得到国际各发达国家的广泛关注。2000年以后，日本、美国、俄罗斯、欧洲、印度等国家和组织都提出了在未来建设空间太阳能电站演示或商业系统的计划。2009年，日本宣布将投资200亿美元，在2030-2040年左右构建第一个商业空间太阳能电站系统。根据日本2012年提出的最新空间太阳能电站发展路线图，将于2020年前利用小卫星或“国际空间站”上的日本实验舱（JEM）开展低轨无线能量传输验证；2030年前完成100千瓦～200兆瓦级的系统验证；2035年左右研制1GW商业系统。

我国目前在空间太阳能电站研究方面处于起步阶段，正在开展空间太阳能电站的概念方案和关键技术的研究工作，力争通过技术基础的积累，使我国具备在地球同步轨道开拓空间能源的能力，促进我国航天技术领域的可持续性发展。相关研究工作也得到了航天、能源等领域专家的广泛关注。

空间太阳能电站是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线方式传输到地面的电力系统，主要由太阳能收集系统、太阳能传输系统、地面接收系统三部分组成。空间太阳能电站研究已经超过40年，根据目前的发展计划，距真正的商业化空间太阳能电站的实现至少还需30年左右。由于规模巨大，对技术发展提出了巨大的挑战。其中无线能量传输技术是太阳能传输系统的基础，也是实现空间太阳能电站的主要关键技术。

微波无线能量传输系统的组成

第一个以微波为动力的直升机

2　微波无线能量传输技术

微波无线能量传输技术（MPT）是由比尔·布朗基于电能可以由电磁波传输的假设提出。1899年，特斯拉首次用特斯拉线圈实验验证了无线电波传输电力的理论。随着20世纪末能源危机日益显现，美国、日本等能源需求大国开始对基于微波无线能量传输技术的空间太阳能发电卫星计划进行规划、实验和验证，这成为该技术一个最重要的应用领域和发展动力。

微波无线能量传输系统的主要构成

微波无线能量传输系统主要由微波功率发生器、微波发射天线、微波接收和整流天线三部分组成，目的是将直流电能转化为微波，并通过自由空间进行传输，在到达接收部分后再次转换为直流电能。

微波功率发生器的作用是将直流电转换成微波，常用的微波发生器有电子管（包括磁控管、行波管、速调管等）、半导体和混合型固态器件等。微波电子管的特性是高效率和高功率输出，且使用成本低，使用范围广。

微波无线能量传输技术发展

早在100年前，特斯拉用工作电压100MV、频率150kHz的电磁波发生器产生非定向电磁辐射，成功地点亮了两盏白炽灯，这就是最初的无线输电实验室演示，从那时起无线输电的概念问世了。到20世纪20年代中期，日本科学家论述了无线输电概念的可行性；30年代初期美国的研究者也开始了不用导线点亮电灯的输电方案的探讨。

随着大功率、高效率真空电子管微波源的研制成功，20世纪60年代初期雷神（Raytheon）公司的研究人员做了大量的无线输电研究工作，从而奠定了无线输电的实验基础，使这一概念变成了现实。在实验中设计了结构简单、高效率的半渡电偶极子半导体二极管整流天线，把它放在用来反射电磁渡的导电平板之上，纯电阻作为负载，用低噪声、高效率的放大管和磁控管作为微波源，将频率2.45GHz的微波能量转换为直流电。该公司在20世纪60-70年代之间做了一系列实验，实验方法不断改进(从喇叭天线、反射面天线到相控阵天线，从一般的二极管到势垒二极管等)，射频能量转换为直流电的效率也不断提高。1977年所做的实验中使用GaAs-Pt肖特基势垒二极管，用铝条构造半渡电偶极子和传输线，输入微波的功率为8W，获得了90.6%的微波-直流电整流效率。后来改用印刷薄膜，在频率2.45GHz时效率为85%。经过多年的精心研究，演示了直流到直流的转换，转换效率达到54%。

自此以后，人们开始对无线输电技术产生了兴趣。斯坦福大学的科学家们也进行了理论研究，并证明在半径lm的圆波导中以低损耗传输吉瓦量级的高功率微波潜在的可行性。他们设想用圆波导传输的微波能量来驱动城市交通工具（如封闭的有轨电车或地铁)。据估计，如果传输频率10GHz的强波模，每传输1000km的损耗约5%。但是由于大截面圆波导加工困难和实际传输过程中波导模式的转换使得损耗增加，所以没有得到工程上的实施。

1975年美国喷气推进实验室进行的地面微波输能实验

在美国航空航天局的支持下，1975年开始了无线输电地面实验的5年计划，由喷气推进实验室和Lewis科研中心承担，将30kW的微波无线输送1.6km，微波-直流的转换效率83%。从20世纪80年代末起，某些无线输电试验放在空间-地面、空间-空间之间进行，现在空间站上的无线输电试验正在进行着。1991年华盛顿ARCO电力技术公司使用频率35GHz的毫米波，整流天线的转换效率72%。毫米波段的优点是天线的孔径较小，缺点是毫米波源的效率比厘米波低，器件的价格也较贵，还有波束传播的雨衰问题。由于无线通信频率的扩展，为了避免对2.45GHz频段通信潜在的干扰，美国航空航天局倾向于把5.8GHz的频率用于无线输电。这两个频率点的大气穿透性都很好，相应元器件的转换效率都很高，价格也便宜。1998年5.8GHz印刷电偶极子整流天线阵转换效率82%。近些年来也发展了微带整流天线和圆极化整流天线。

苏联在无线输电方面也进行了大量的研究。20世纪50年代末期无线输电理论和实验研究拉开了序幕，专门设计了名为Planatron的微波器件，用来产生和转换微波功率。在他看来，未来微波电子学的主要研究方向就是微波电力工程，设计大功率、高效率的微波发生器和微波-直流电转换器是无线输电最紧迫的问题。在莫斯科大学，相关研究组在无线输电与空间太阳能电站方面进行了大量的理论与实验研究(包括系统、子系统的设计和相关的微波器件的研制等)，与微波公司合作，他们研制出了一系列无线输电器件。

1979年美国航空航天局模型

应用于空间太阳能电站的研究进展

将无线能量传输技术应用于空间太阳能电站中这个设想已经走过了几十个年头。1970年《微波能量杂志》发布了一期特殊版，专门奉献给有关卫星太阳能电站方面问题的探讨。1971年格雷泽提出的这一想法获得美国专利证书。1年以后形成了专门的研究单位，其中包括格鲁曼航天公司、雷神公司和德事隆公司。1973年美国国会拨出大约30亿美元，委托美国航空航天局领导太阳能利用方面的研究工作，其中特别强调了研究卫星太阳能电站方案的必要性和重要性。从那时起，空间太阳能电站在美国航空航天局Lewis研究中心立项。

将微波电力传输和空间太阳能电站相结合的一个重要里程碑，是从1977年开始为期1年的能源部/美国航空航天局卫星动力系统方案研究和论证计划。该计划是为太阳能发电卫星的研究而开展的，计划从一颗太阳能发电卫星上将5～10GW的电力通过微波波束传输到地面的硅整流二极管天线。该计划的提出引发了世界上对于微波无线能量传输技术发展的浪潮，许多国家开始实验和验证该技术，并开发各种应用领域。

从20世纪70年代末期，微波无线输电和空间太阳能电站在苏联的许多国家重点研究所(包括科学院和一些工业部门的研究所)和一些重点大学的研究开始活跃起来。在近20来年的时间内，日本、法国、德国、俄罗斯、美国、加拿大在无线输电方面开展了大量的理论和实验研究工作，取得了显著的成果，并派生出了除空间太阳能电站以外的许多其他应用领域。

由于全球气候不断变暖、有限的地球初级能源储量和热核聚变能的应用还很遥远(可能至少在40年以后)，无线输电技术和空间太阳能电站的前景在2l世纪越来越受到国际社会科技界的关注。日本能源短缺，对无线输电技术和空间太阳能电站表现得特别积极。1996年京都大学与莫斯科大学开展了无线输电的技术合作，并购买了回旋波整流器。日本人研制了空间太阳能电站的教学模型，进行了气球和飞机模型的无线输电实验。2001年在日本召开了关于空间太阳能电站的研讨会，日本京都大学担负领头的角色。跟莫斯科大学合作，日本政府在2000年进行微波无线输电技术中间工程的试验，将在赤道上空运行的卫星的微波能量送到地球表面的整流天线阵，并宣布在2040年建成功率为100kW的空间太阳能电站。这项工程主要准备工作和预先研究是由京都大学的学者承担，此外还有三菱（Mitsubishi）电气公司、松下（Matsushita）公司等。

美国在2008-2011年间积极开展相关试验，先后完成了地面100km的微波无线能量传输试验，进行了20km高度飞艇的能量补给试验、100千瓦级空间太阳能电站平台地面试验，以及20kW微波驱动月球车的地面试验。

2009年日本京都大学在离地30m的飞艇上进行的空中无线微波传输实验

美国进行的100km的地面能量传输实验

激光无线能量传输技术

3　激光无线能量传输技术

激光无线能量传输技术开展得相对较晚，但是由于激光本身特性，使得这种无线能量传输方式显现出独特优势：能量传输集中，在可见光与近红外波段具有大气传输窗口，地面接收设备小，造价便宜。

空间太阳能电站对激光无线能量传输技术的需求

（1）传输效率

空间太阳能电站是将空间资源进行收集，以微波能或激光能传输至地面设施。这种设计思想是想从根本上解决人类所面临的不断加剧的能源问题。所以能量的传输效率是核心问题，即如何保证收集到的空间太阳能尽可能高效率地传输至地面，减少大气等环节对能量的损耗。

（2）波束指向与控制

在太阳能传输过程中，要保证能量波束与地面接收天线精确定向，对传输系统的波束指向与控制提出了很高的要求，也关系到空间太阳能电站的安全有效运行。以我国最新的太阳能电站总体设计方案为例，采用在平流层增设平流层飞艇进行能量中转，在飞艇上携带有激光能量接收装置，由于飞艇尺寸有限，所以光电转换设备面积有限，激光传输波束需要很高的指向精度，并保证在接收端波束不发散。

（3）接收设备造价

微波无线能量传输技术虽然发展已久，但是考虑到微波使用的安全性，实际地面接收天线的能量密度比较低，致使接收设施面积很大，整体造价很高。激光传输方式所需发射和接收设备的口径小，造价相对便宜，对于空间太阳能电站这样巨大的航天系统工程，降低造价是非常重要的，关系到电站运行后的经济收益。

日本宇宙航空研究开发机构2004激光基础单元

日本宇宙航空研究开发机构激光发射系统构成

（4）环境及安全影响

在大气层内用较强微波传输会对人及生物产生影响，所以不能使用过强的微波传输，限制了微波传输功率。地面接收装置持续接收微波有可能产生热岛效应，另外，还要考虑微波对通信等的影响。

从以上4个方面比较来看，激光无线能量传输技术较微波传输技术有着独特的优势，对于空间太阳能电站的发展是一项具有吸引力的战略选择。鉴于激光无线能量传输方式的优势与广泛应用前景，有必要从效率、安全性、指向性等方面开展激光无线能量传输技术的战略研究。

激光无线能量传输技术在空间太阳能电站的应用

2009年，美国利弗莫尔国家实验室使用半导体泵浦激光器作为太阳能无线传输的形式，对热控、点对点传输及经济性做出了合理解释。欧洲及日本的研究人员也相继开展激光无线能量传输研究，并在各自的空间太阳能电站路线图中将这一部分作为重要内容写入发展规划。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）2004方案开始就将激光作为空间太阳能传输的关键技术。该机构设想的激光传输方案，其空间段由上百个排列成一列的基础单元组成，每个基础单元包括2个尺寸为100m×100m的太阳聚光镜，2个尺寸为100m×100m的辐射器，以及激光发生器、激光波束辐照器、支撑结构，可产生10兆瓦级的激光，而整个系统的输出功率为吉瓦级。用太阳聚光镜或透镜将光线集中后发送到直接泵浦固态激光器，产生激光波束，在海上接收激光并催化分解海水产生氢气。在该方案中，直接泵浦固态激光器的转换效率和系统可靠性为关键因素，因此如何消除热量就成为关键因素。

日本宇宙航空研究开发机构正联合大阪大学激光技术研究院和激光工程学院开展直接太阳能泵浦激光系统研究。直接太阳能泵浦激光的产生较传统的利用电能产生激光振荡的固态或者气态激光器更具优势。由于必须采用太阳电池或者其他较低效率方式将太阳能转化为电能，由激光二极管或一些其他方式产生激光振荡的L-SPS总体效率将会降低。相对于微波能量传输，直接太阳能泵浦激光技术的近期进展，显示了其进行高效能量转化和传输的可能性。

4　无线能量传输技术的其他应用

无线能量传输技术最主要的应用领域就是空间太阳能电站系统。相对于传统的能量来源体系，空间太阳能电站系统具有清洁无污染、可持续无间断等优势，无疑是一种很好的能源解决方法。此外，无线能量传输技术还可以应用于临近空间飞行器、空中通信中继站、卫星电力中继、恶劣环境的电力供应等领域。

近地小型无人飞行平台

该方案原理是在地面安置大功率微波发射天线，在其上方数百米至数十千米的空中布置小型无人飞行平台，平台腹部安置接收整流天线，由接收到的微波能量来维持飞行平台的飞行及各种功能运行，从而实现无人飞行平台在发射天线上空照射范围内持续不间断的飞行。可以赋予飞行器很多种不同的功能，比如战场监测、环境监测、大气监测、天气监测、雷达探测、通信中继等。如果将地面的大功率微波发射天线安装在车辆上，作为移动基站，可以提高系统的机动性能。基站在指定地点布置展开，然后将飞行平台发射升空，开始执行任务，任务结束后将其回收，基站再移动到下一地点执行另外的任务。美国和加拿大的科学家们在小型无人飞行平台方面的研究开展了20年左右，取得了一定的成果。

服务于太空科学研究

在太空中布置多颗太阳能卫星，由它们为太空中的各种卫星、飞船、轨道舱等提供所需的能量，从而减少这些飞行器发射升空时携带的燃料数量。另外，俄罗斯及苏联科学家通过大量的太空实验研究发现，太空舱良好的微重力条件对于培养高质量晶体、生产高纯度药物及某些特殊的生物实验具有很重要的意义。太空舱往往携带很重的燃料及动力装置，这些会导致太空舱内难以形成良好的微重力条件。解决的办法是发射子母卫星，母卫星通过大功率微波发射天线向子卫星辐射微波能量，子卫星不需要携带任何动力装置，通过接收天线从母卫星获得能量，从而在子卫星内形成良好的微重力环境。随着我国太空科技的飞速发展，今后的空间科学探索研究活动会越来越频繁，大功率无线能量传输技术在这些领域具有很好的应用前景。

地面能量传输

对于地形复杂、难以架设输电线路的地区，如岛屿、荒山、沙漠等，可以采用该系统传输电能，作为传统的输电线路的补充。

法国科学家计划在法属留尼旺岛建成一个传输距离为700m的10kW的无线输电系统。在山顶处放置直径2.4m的发射天线，谷底处放置直径17m的接收整流天线，接收到的能量驱动一个10kW的发电机，从而实现给谷底村落供电。

5　展望

无线能量传输技术是太阳能传输系统的基础，也是实现空间太阳能电站的核心关键技术。本文研究梳理了应用于空间太阳能电站的微波无线能量传输技术与激光无线能量传输技术。虽然这两项技术已取得了巨大的突破，但是在大气层环境内不可避免的存在许多问题。当然这些问题本身也是具有挑战性的前沿科学问题，需要结合相关领域的最新研究进展，综合论证，全面考虑，才能充分发挥技术特点。

近些年，随着科学技术的发展，出现了一些新颖的长距离无线能量传输技术，例如：基于新材料的超导无线能量传输技术，利用大气特性的超快激光诱导等离子体的无线电能传输技术等。这些新技术的出现，不仅为空间太阳能电站的无线能量传输模式提供新的思路，甚至有望改变空间太阳能电站能量传输链路，提高整个空间太阳能电站系统的效率。

Wireless Energy Transmission Technology for Space Solar Power Station